Строение атомных ядер. Модели ядра. Закон радиоактивного распада

Ответ: Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Строение атомного ядра в современной науке основано на применении ядерных сил, якобы удерживающих протоны в ядре (более полная и подробная информация о строении ядра в современной физике приведена внизу страницы). Как понять причину того, что одноименно заряженные протоны могут находиться в ядре, в непосредственной близости друг от друга? Электроны могут находиться вокруг ядра не вращаясь, потому что положительно заряженное ядро является для них источником удерживающей силы. Но такой подход не может быть осуществлён для атомных ядер, так как внутренней силы, способной удерживать протоны в ядре, нет. Современные учёные для объяснения этого феномена прибегают к помощи, так называемых, ядерных сил. Общая теория взаимодействий даёт альтернативное объяснение возможности существования в ядрах вблизи друг от друга положительно заряженных протонов. В анимации показано как изменяется электрическое поле вокруг ядер (протонов) при ядерной рекции, то есть дано объяснение так называемых ядерных сил. Рассмотрим последовательное сближение двух протонов и изменения в их бионном окружении. Бионное окружение протонов на значительном расстоянии их друг от друга практически не деформировано. Сближение за счет каких-либо сил приводит к изменению. Теперь уже бионное окружение частично деформировано. Такая деформация вызывает уменьшение скорости сближения (бионы, окружающие один протон, взаимодействуют с бионами из окружения второго протона). Но если запаса энергии у протонов достаточно, то происходит дальнейшее сближение и деформация бионного окружения до тех пор, пока станет невозможным расположение бионов,осуществляющее электрическое отталкивание. Причина того, что протоны в ядре не отталкиваются состоит в том, что расстояние для осуществления отталкивания мало. При таком расположении бионов, те из них, которые находятся между протонами, могут осуществлять только гравитационное взаимодействие (смотрите анимацию). Подробности на странице Гравитация - новая теория. Если же сближение на этом не закончится, то протоны вытеснят последние бионы, находящиеся между ними, и провзаимодействуют уже непосредственно между собой, оттолкнувшись электрическим способом (или произойдет ядерная реакция). Таким образом, мы получаем полную картину, не прибегая к выдумыванию ядерных сил. Если же рассмотреть процесс приближения электрона к ядру, то при максимальном сближении произойдёт так называемый К-захват. Однако, если бы ядерные силы всё-таки существовали, то было бы возможно образование чисто протонных и чисто нейтронных ядер, чего на практике не наблюдается. Заметим, что те же рассуждения справедливы и для разноимённых зарядов.То есть, возможна такая ситуация, когда разноимённые заряды, даже находясь в непосредственной близости, перестают притягиваться электростатическими силами. Это заключение мы используем в дальнейшем. Свойства ядерных сил, их описание и происхождение: Итак, по пунктам (цитата из (6*)). 1)Ядерные силы - это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания). 2)Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов. 3)Область действия ядерных сил, ничтожно мала. Радиус их действия 10^-13. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.

4)Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивные. Их интенсивность значительно больше интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами. 5)Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывают, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра. А только с несколькими соседними. 6)Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая независимость, то есть тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами. Общая теория взаимодействий отрицает наличие в природе ядерных сил, и, следовательно, приводит новые объяснения строения ядер атомов. Наша теория строения атомного ядра очень проста, если даже не сказать, примитивна. Вы имеете в качестве деталей конструктора пирамидки, в виде тетраэдров, двух цветов. Одни - красные, заряжены положительно и имеют массу протона. Другие, белые заряда не имеют, и обладают массой нейтрона. Для того чтобы построить любое ядро, Вам просто необходимо складывать из необходимого количества деталей определённые тела, как можно более близкие по форме к сфере, располагая при этом красные тетраэдры, как можно дальше друг от друга. Если для завершения процесса Вам нужен дополнительный белый компонент, или даже несколько, можете его использовать. Природа так и делает, добавляя, где это необходимо, дополнительные нейтроны (так образуются изотопы). И если Вам окажеться не лень, попробуйте собрать фигуру с использованием 43 протонов. Это будет нелёгкой (возможно, даже невыполнимой) задачей. Технеция в природе не встречается, а такое ядро должен был бы иметь именно он. Перейдём теперь к рассмотрению процессов в ядерной физике. Мы рассмотрим некоторые специфические моменты устройства ядер атомов. Ни для кого не секрет, что все ядра подчиняются закону радиоактивного распада выражающегося формулой , которая означает, что количество частиц распадающихся за определённый промежуток времени пропорционально количеству частиц имевшихся на начало этого промежутка времени. Обратимся к химии. Рассмотрим внимательнее формулу для энтропии и поясним, что она обозначает. S – функция состояния, являющаяся мерой неупорядоченности в определённой системе. Больцман показал, что энтропия S связана с числом различных микроскопических способов реализации конкретной макроскопически определённой и наблюдаемой ситуации. Если число эквивалентных способов реализации некоторой ситуации равно W, то энтропия пропорциональна натуральному логарифму числа W. Думаю, что как эта формула справедлива в химии, где K= R/N (R – универсальная газовая постоянная, а N – число Авогадро), так она должна быть справедлива и в ядерной физике, конечно, с учётом другого значения коэффициента. И закон радиоактивного распада даёт к этому все основания. Приведём ещё одну цитату. «Статистическое толкование второго начала термодинамики. Возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния. Второе начало, являясь статистическим законом, описывает закономерности хаотического движения (и, скорее всего пространственного расположения) большого числа частиц составляющих замкнутую систему (например, ядро атома или электронную оболочку)» *(3) (взятое в скобки, добавлено автором). Альфа-излучение и туннельный эффект: Рассмотрим туннельный эффект с позиций соответствия современных представлений о нём принципу непрерывности. Вероятность туннельного эффекта по приблизительным оценкам равна 10^-20. Процитирую фразу с помощью которой объясняют, почему всё-таки туннельный эффект становится возможен. «Конечно, это очень малая величина (значение подчёркнуто), но если учесть, что альфа-частицы, быстро двигаясь в атомном ядре, сталкиваются с его стенками около 10²⁰ раз в секунду, то полная вероятность просачивания альфа-частицы через кулоновский потенциальный барьер, то есть доля частиц вылетевших из ядра за 1 секунду, будет порядка единицы».* (6). Очень спорное объяснение. Какие у ядра могут быть стенки? Откуда возникает движение альфа-частиц внутри ядра? Почему, если альфа-частицы движутся, ядро не излучает постоянно? Обратите внимание, что в нашем случае, даже не возникает необходимости объяснять туннельный эффект, потому что сам способ, объясняющий возможность нахождения двух одинаково заряженных частиц в близи друг друга, предполагает энергетическую несимметричность. Приведём краткое изложение нашего взгляда ещё раз. Ядерных сил не существует: Возможность нахождения одинаково заряженных протонов в ядре объясняется тем, что минимальный радиус электрических взаимодействий больше чем гравитационных гравитационных сил. И до определённого расстояния (при отсутствии электрического отталкивания) гравитация удерживает протоны вместе. То есть, процессы образования ядер и их распада энергетически не симметричны, как и показывают опыты. Почему же вылетает именно альфа-частица? Напомню, что, по нашему мнению, ядро гелия представляет собой тетраэдрическое образование и двух протонов и двух нейтронов. Такое образование наиболее жестко, и с точки зрения возможных деформаций, наиболее устойчиво. Подробности смотрите на странице свойства веществ и соединений.
Скорее всего, расположение нуклонов в верхних слоях ядерных оболочек, изначально близко к тетраэдрическому. Ведь нуклоны стремятся заполнять пространство в ядре атома, также выстраивая оболочки в виде правильных многогранников. Примеры для куба и октаэдра, и для куба и икосаэдра приведены на рисунке.
Фигура А В С Д уже имеет вид тетраэдра, то есть форму альфа-частицы. Таких тетраэдров можно построить на других вершинах ещё семь. Сравните, для примера, расположение вершин икосаэдра и додекаэдра, если их центры совпадают, а радиусы описанных окружностей незначительно различаются. Оно, расположение, при определённой разнице радиусов, будет практически тетраэдрическим. Следовательно, будет требовать для своего изменения минимума энергии, к чему всегда так стремится природа.
. Напомним, что сам икосаэдр (на рисунке находится внутри) является объединением 20 тетраэдров. В этом объяснение «магичности» ядра с таким количеством нуклонов. Модель ядра атома, объединяющая достоинства и лишённая недостатков капельной модели и модели ядерных оболочек. Итак, мы получили объяснения, удовлетворяющие обоим из существующих сегодня теорий строения ядра. Первое. Для капельной модели ядра мы нашли объяснение незжимаемости (протоны и нейтроны имеют трудно деформирующуюся форму тетраэдра) и стремлению к шарообразности ядра. Второе. Модель ядерных оболочек объясняется нами тем, что следующие нуклоны (в форме тетраэдров) должны заполнить все внешние свободные грани (в форме плоских треугольников) образованные внешним слоем ядра. Располагаются дополнительные нуклоны центрально симметрично.

. Энергия связи ядра:

Энергия связи нуклонов в ядре атома объяснена в общей теории взаимодействий исходя из гравитационной природы ядерных сил. Внимательно приглядевшись к эмпирической формуле энергии связи, и с учётом формулы Эйнштейна, такой наш подход не должен вызывать возражений. Часть энергии гравитационного поля каждого из нуклонов расходуется на удержание нуклонов вместе в составе ядра, и, следовательно, не обнаруживает себя в окружающем ядро пространстве. Эта энергия гравитационного поля каждого нуклона и есть энергия связи ядра. Рисунок приведён на странице новая теория гравитации, при объяснении так называемого дефекта масс. Ядро атома: Цепочка открытий, которые позволили заглянуть внутрь атомного ядра, сжатая до одной строки, выглядит так: атом — электрон - атомное ядро - частицы внутри ядра. Последние шаги были сделаны после открытия радиоактивности, когда физики получили прекрасный инструмент для проникновения вглубь вещества — альфа-частицы, или ядра гелия. Вот эти шаги. 1911 г. Э. Резерфорд на основании опытов по рассеянию альфа-частиц делает заключение о существовании атомного ядра. Это открытие показало, что вещество состоит в основном из... пустоты. Вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, размеры которого (10^-14 — 10^-15 м) в 10⁴ — 10⁵ раз (!) меньше, чем размеры облака легких отрицательных электронов. 1919 г. Эксперименты Резерфорда и его сотрудников по облучению альфа-частицами легких газов привели к расщеплению атомных ядер. Процесс сопровождался вылетом ядер водорода (протонов, как позднее назвал их Резерфорд). Тогда ученый приходит к выводу, что протоны являются структурной частью всех более тяжелых ядер. 1932 г. Английский ученый Дж. Чедвик открывает нейтрон, существование которого было предсказано Э. Резерфордом еще в 1921 г. Масса нейтрона оказалась очень близкой к массе протона. И в этом открытии важную роль сыграли альфа-частицы: нейтроны возникали при бомбардировке ими бериллиевой мишени. После открытия нейтронов сразу и почти одновременно физики из разных стран предложили модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Такая модель позволяла хорошо объяснить наблюдаемые соотношения между массами и зарядами ядер. Например, ядра гелия, состоящие их двух протонов и двух нейтронов, имеют заряд, в 2 раза превышающий заряд протона, и массу, в 4 раза большую его массы. Для углерода это соотношение 6 и 12 и т. д. Нейтронно-протонная модель строения атомных ядер устранила многочисленные противоречия и трудности, имевшиеся в старой модели ядра, состоящего из протонов и электронов. Внутри ядра протоны и нейтроны удерживаются особым видом сил — ядерными силами. От более привычных нам электромагнитных сил они отличаются, во-первых, тем, что одинаково действуют на заряженный протон и не имеющий заряда нейтрон (когда хотят это подчеркнуть, то оба вида частиц называют нуклонами). Во-вторых, ядерные силы проявляются только тогда, когда нуклоны находятся на малых расстояниях (10^-13 м) друг от друга. На таких расстояниях величина их огромна, и они сжимают ядерное вещество до плотности в сотни миллионов тонн в 1 см³. В природе пока известны только одни макроскопические объекты, в которых вещество сжато до ядерных плотностей, — это нейтронные звезды.

Еще одна характерная особенность ядерных сил: из-за их короткого действия нуклоны чувствуют только ближайших своих соседей. В этом смысле ядро напоминает каплю воды, в которой молекулы взаимодействуют лишь с соседними молекулами, а частицы, находящиеся на поверхности капли, стремятся втянуться внутрь, создавая поверхностное натяжение. Чтобы вырвать нуклон из ядра, требуется большая энергия. Для элементов средней части периодической системы она составляет около 8 МэВ. Но ядро не просто капля, а капля заряженная. С увеличением Z — числа протонов в ядре — силы электрического отталкивания увеличиваются, а ядерные силы остаются постоянными. Поэтому ядра с очень большим Z (Z > 100) становятся неустойчивыми. Электрические силы разрывают их. Эта нестабильность ограничивает число элементов, встречающихся в природе, а кроме того, объясняет естественную радиоактивность тяжелых ядер (Z > 84). Ядра с одинаковым Z называются изотопами, а с одинаковым полным числом нуклонов А — изобарами. Стабильных изотопов известно около 350. Нестабильных, т. е, претерпевающих альфа- или бета-распад, в природе немного. Они либо распадаются очень медленно, как, например, уран-238 (половина его атомов распадается примерно за 10¹⁶ лет), либо постоянно пополняются за счет действия космического излучения (углерод-14). А вот искусственных радиоактивных изотопов, получаемых на ускорителях и реакторах, известно более тысячи. Хотя многое в теории обычных ядер еще не выяснено, исследователи думают также и о возможности существования «необычных» ядер — чисто нейтронных, сверхтяжелых, сверхплотных и т. п. Теория допускает такую возможность, но эксперименты пока не принесли положительных результатов. Деление атомных ядер: Деление атомных ядер — процесс, при котором тяжелое ядро распадается на два (а иногда и больше) легких, называемых осколками. Чтобы представить себе, как это происходит, воспользуемся капельной моделью ядра, предложенной Н. Бором и одновременно Я. Френкелем, советским физиком-теоретиком. Ядерные силы действуют на малых расстояниях (-10^-15 м), нуклоны взаимодействуют только со своими соседями, и вещество ядра практически несжимаемо. Частицы, находящиеся на его поверхности, как и молекулы на поверхности жидкости, стремятся уйти вглубь, и этим создают силы поверхностного натяжения. Поэтому ядро стремится принять шарообразную форму и напоминает своими свойствами каплю жидкости. Однако в отличие от обычной капли ядерная — заряжена. С ростом числа протонов в ядре силы электрического отталкивания начинают конкурировать с ядерными силами, обеспечивающими его устойчивость. Наступает момент, когда большой капле энергетически выгоднее разделиться на две малые, но выгода еще не означает возможность. Для того чтобы деление произошло, капля сначала должна деформироваться, вытянуться и, следовательно, увеличить свою поверхность (шар при заданном объеме имеет минимальную поверхность). Это требует первоначальных затрат энергии. Ситуация напоминает изображенную на рисунке. Шарику энергетически выгоднее перейти из точки А в точку В, но для этого необходимо получить откуда-то энергию, чтобы перебраться через этот барьер.

Откуда ядро берет энергию? От захвата какой-то частицы. Выделяющаяся при этом энергия может оказаться достаточной, чтобы заставить ядро-каплю колебаться, изменить свою форму, вытянуться и, наконец, разорваться (рисунок 2). Второй способ — туннельный переход под барьером. Квантовая механика допускает такой процесс. Его вероятность зависит от высоты и ширины барьера и может быть очень мала. Конечно, капельная модель дает лишь очень приблизительное описание процесса. Созданы более точные (и гораздо менее простые) теории, разработка которых продолжается и в настоящее время.

Осколки уносят значительную (по масштабам микромира) энергию — около 200 МэВ. Кроме того, при делении ядер и потом они излучают нейтроны, гамма-кванты, бета-лучи. Деление атомного ядра может быть самопроизвольным — спонтанным (туннельный переход) или вызываться нейтронами, заряженными частицами, гамма-квантами. Чем тяжелее ядро атома, тем меньше период его спонтанного деления. Ядра с Z > 120 должны делиться мгновенно. Деление урана под действием нейтронов было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Спонтанное деление урана открыли в 1940 г. советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак. Открытие деления атомных ядер позволило человечеству получить новый источник энергии. Детекторы ядерных излучений: Французский физик А. Беккерель открыл радиоактивность, заметив, что соли урана засвечивают фотопластинку. Он обнаружил, что излучение этих солей вызывает свечение люминофоров и разряжает электроскоп. В дальнейшем способы регистрации ядерных излучений были значительно усовершенствованы.

18)α-, β-, γ- излучение атомных ядер.

Ответ: Изотопы: В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами. Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6. Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью. Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент - радон с выделением гелия.

В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица - положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица - отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон). Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие - гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.

Ядерные реакции: Альфа-распад: Пример: где - альфа-излучение - ядра гелия.

Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный. Бета-распад:

Пример: где - бета-излучение - электроны. При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным. Гамма-излучение: . Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов. В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот. Открытие протона: . Открытие нейтрона: .

Поиск по сайту: